Атермическое разупрочнение меди

Систематическое исследование физической природы ЯАР проведено  Я.Д.Вишняковым и др. на образцах никеля (НО, Н1 и НП2), сплавов никеля с кобальтом, меди, стали 08кп и армко-железа. Они применили рентгеноструктурный анализ, световую микроскопию, количественные методы электронной микроскопии на просвет, измерение твердости и испытания на растяжение. В результате установлено, что при определенных для каждого исследованного сплава степенях деформации наблюдается нарушение монотонности изменения свойств с ростом суммарной степени деформации. В частности, при прокатке меди довольно четкие минимумы на зависимостях свойств от степени деформации наблюдаются при 40, 60,70 — 75 и 90 % деформации.

При исследовании никеля Н1 показано, что величина энергии активации процессов, происходящих в критических областях, составляет 8 — 16 кДж/моль, т.е. ЯАР имеет дислокационный характер. Исследование дислокационной структуры показало, что немонотонное изменение свойств в критических областях объясняется увеличением среднего размера дислокационных ячеек, а также увеличением размера ячеек в определенных кристаллографических направлениях (появление вытянутых образований).

Анализ дислокационной структуры  образцов из меди (99,99 % Си), прокатанных  со степенями деформации от 25 до 90 %, позволил установить, что в меди при критических степенях деформации перестройка дислокационной структуры приводит к изменению размера вытянутых дислокационных образований, в то время как размер равноосных ячеек практически не меняется. При этом если в никеле при степени деформации больше критической наблюдается процесс "разрушения" вытянутых дислокационных образований и структура состоит в основном из равноосных ячеек, то в меди вытянутые образования являются более стабильными и сохраняются при всех степенях деформации от 50 до 90 %. По-видимому, это объясняется тем, что вытянутые образования в меди имеют более толстые, а следовательно, и более устойчивые, чем в никеле. Сравнение результатов исследования структуры меди и никеля показывает, что в металлах с ГЦК структурой при критических степенях деформации под действием напряжений происходит радикальная дислокационная перестройка. Причем в результате перестройки может меняться как средний размер равноосных ячеек, так и величина вытянутых дислокационных образований .

На примере никеля и  меди показано, что изменение температуры деформации от 293 до 77К не оказывает существенного влияния на местоположение критических степеней деформации, а также на характер изменения свойств в областях проявления данного эффекта. Установлено, что изменение величины исходного зерна в никеле от 90 до 12 мкм приводит к смещению критических степеней деформации в сторону меньших значений и к более резкому изменению свойств в областях проявления ЯАР.

В работе [17] показано, что местоположение областей проявлении данного эффекта зависит от направления, в котором проводится измерение свойств, что подтверждает предположение о связях ЯАР с уровнем внешних и внутренних напряжений. Из полученных данных следует, что ранее всего ЯАР проявляется в направлении действия максимальных касательных напряжений.

В.П. Полухиным, Я.Д. Вишняковым и др. проведены исследования ЯАР  на сталях 08кп и 08Ю. Анализ результатов исследования стабильности механических свойств свидетельствует о том, что дисперсия свойств при критических степенях деформации (52 и 66 %) резко возрастает. В областях немонотонного изменения механических свойств обнаружено существенное изменение текстуры, сопровождающееся ослаблением основных и особенно октаэдрических компонентов. Исследование структуры и механических свойств стали 08кп после рекристаллизационного отжига показало, что неоднородность свойств, сформировавшаяся в процессе холодной деформации, наследуется и в рекристаллизованном состоянии.

Аналогичные результаты при  исследовании качества холоднокатаных полос из малоуглеродистой стали  были получены непосредственно в  yсловиях Череповецкого и Новолипецкого металлургических комбинатов.

Анализ проведенных исследований позволяет сделать вывод о  том, что экспериментально зафиксированное  ЯАР имеет место в процессах  холодной деформации многих металлов и сплавов. Однако представляет теоретический, а также практический интерес изучение влияния температуры деформации на характеристики ЯАР. Это имеет важное значение для выяснения, насколько сильно оказывает влияние на ЯАР термическая активация процессов релаксации напряжений, а также как протекает возврат в процессе пластической деформации при критических степенях деформации. Это тем более важно, что, как было показано А.В.Буровым, С.Д. Шевелкиным и др., при больших скоростях прокатки и высоких степенях деформации температура меди в очаге деформации может достигать значительных величин, а температура начала рекристаллизации меди при степенях деформации более 50% достигает 130 и даже 90 °С. Применительно к деформации никеля и меди Я.Д.Вишняковым показано, что местоположение критических степеней деформации практически зависит от температуры деформации, т.е. разупрочнение происходит в процессе холодной пластической деформации под воздействием напряжений.

Анализ литературных данных свидетельствует о том, что за достаточно длительный период времени выполнены исследования на чрезвычайно малой группе сплавов. Кроме того, эти разрозненные результаты не использованы на практике для совершенствования технологических процессов ОМД с целью стабилизации механических свойств холоднокатаных листов, полос и лент. Имея в виду использование результатов по ЯАР для совершенствования технологии производства, были выполнены исследования по определению зон проявления ЯАР для многих сплавов.

Исходной заготовкой для  холодной прокатки служили горячекатаные  и холоднокатаные (после отжига) полосы вышеперечисленных сплавов толщиной 4,0 — 12,0 мм и шириной 600 — 650 мм. Оценка однородности механических свойств горячекатаных заготовок показала, что значения временного сопротивления разрыву, относительного удлинения и твердости одинаковы по длине и ширине исследуемых полос. В соответствии с этими данными механические свойства горяче- и холоднокатаных заготовок были приняты в качестве условно-постоянного фактора.

Исследование проводили  в лабораторных и непосредственно  производственных условиях Балхашского завода ОЦМ. В лабораторных условиях холодную прокатку проводили на двухвалковом стане 150х300 мм с цилиндрическими валками без натяжения и применения технологических смазок при скорости прокатки 0,3 м/с. В промышленных условиях прокатку вели на реверсивном двухвалковом стане 450х800 мм без натяжения с применением технологических смазок (керосин, машинное и веретенное масла) и без смазки при скорости прокатки 0,5 м/с. Относительно низкие скорости прокатки в промышленных условиях определяются техническим уровнем основного оборудования завода и дают возможность иметь в лабораторных и заводских условиях сопоставимые результаты, а также исключить из рассмотрения влияние эффекта деформации. Как показали экспериментальные измерения, температура металла при холодной прокатке образцов в режиме листовой прокатки не превышала 50 °С.

Холодную прокатку сплава БрОЦ4-3 проводили в промышленных условиях на реверсивном комбинированном стане 630 — 160/630х630 мм с использованием четырехвалкой кассеты с эмульсией на основе пасты СП-3 в режиме рулонной прокатки со скоростью прокатки 1 — 3 м/с.

В результате в холоднокатаном состоянии были получены образцы  с переменным суммарным обжатием от 5 до 98% с шагом деформации 2 — 5%. Отбор образцов для оценки изменения  механических свойств в деформированном отожженном состоянии проводили вдоль направления прокатки из участка полос, прокатанных в установившейся стадии процесса про катки. В деформированном и отожженном состоянии образцов определяли твердость по Виккерсу (HV) и Роквеллу (HRB), микротвердость (Нμ), временное сопротивление разрыву (σ^в), относительное удлинение (δ), величину зерна после рекристаллизационного отжига, проводили рентгеноструктурный анализ. Большое внимание было уделено методическим вопросам исследования и оценке точности экспериментов.

      4. Влияние технологических параметров деформации на развитие ЯАР

Поскольку исследования выполняли  по стандартной методике и результаты исследований полностью опубликованы, изложим характер изменения механических свойств на примере сплава Л63. Полученные результаты свидетельствуют о том, что для данного сплава существуют четыре области обжатий, при которых наблюдаются снижение твердости и увеличение пластичности: I — 27 — 36 %; II — 49 — 58 %; III — 69 — 77 % и IV — 82 — 90 % деформации.

При определении временного сопротивления разрыву аномальные изменения, соответствующие рассматриваемому эффекту, проявляются слабее. Необходимо отметить, что различные методы определения  механических свойств обладают неодинаковой чувствительностью при выявлении ЯАР. Например, только исследование зависимости временного сопротивления разрыву от степени деформации в большинстве случаев не мсмиоляет  выявить  области немонотонного      изменения свойств, твердость по Роквеллу няется в этих областях незначительно. Поэтому следует применять более чувствительные к ЯАР методы исследования, такие как измерение микротвердости, твердости по Ииккерсу, относительное удлинение и т.п.

Величина изменения микротвердости при критических степенях деформации неодинакова в различных областях и колеблется от 100 до 350 МПа.

Величина самих областей немонотонного      изменения  свойств приблизительно одинакова и составляет порядка 6 — 10%.   Характер   изменения величины твердости (HV) несколько отличается от изменения величины микротвердости как функции от степени деформации. Менее четкие минимумы наблюдаются на кривых HV, что, по-видимому, можно объяснить разницей в объемах исследуемых участков образцов при применении этих методов. Некоторое смещение положения областей немонотонного изменения свойств, полученное при определении величины твердости и относительного удлинения, от положения этих областей при определении величины микротвердости объясняется внесением различной величины дополнительной деформации металла в процессе измерения.

Для изучения ЯАР проведен рентгеноструктурный анализ. Оценка характера изменения текстуры деформации латуни Л63 была проведена путем исследования изменения полуширины (В) линий {111} и (311} в зависимости от степени деформации. Как видно из рисунка 2, с увеличением степени деформации наблюдается общая тенденция к увеличению В.

Рисунок 2 – Зависимость  полуширины линий {311}(1) и {111}(2) от суммарного относительного обжатия при холодной прокатке полос сплава Л63.

По данным работ [17,18], при критических степенях деформа происходит радикальная перестройка дислокационной структуры, приво щая к существенному увеличению длины свободного пробега дислокаций. Таким образом, изучение текстуры прокатки сплава Л63 показало, что в областях проявления ЯАР не происходит изменения типа текстуры, наблюдается лишь некоторое ослабление компонент текстуры прокатки. Рентгеновский метод исследования не вносит дополнительной деформации и тем самым сдвигает области проявления ЯАР в сторону больших степеней деформации. Известно, что эффект ЯАР проявляется в материа при достижении определенного уровня внутренних и внешних напряжении. В силу неравномерности пластической деформации при прокатке эти условия не одновременно создаются во всем объеме материала, поэтому в областях немонотонного изменения свойств могут встречаться объемы, где ЯАР еще не наблюдается. Исходя из этого можно сделать вывод о том, что разброс свойств в областях проявления эффекта атермического разупрочнения должен быть больше, чем при других степенях деформации.

Анализ стабильности отдельных  механических характеристик показывает, что в областях проявления ЯАР разброс результатов измерений резко возрастает (рис. 3).

Рисунок 3 – Зависимость  дисперсии изменения микротвердости (а), твердости по Виккерсу (б) и Роквеллу (в), временного сопротивления разрыву (г) и относительного удлинения (д) сплава Л63 от суммарного относительного обжатия.

Так, дисперсия микротвердости в перечисленных выше интервалах обжатия увеличивается в 2 — 4 раза, дисперсия твердости по Виккерсу и Роквеллу в 2 — 8 раз, дисперсия временного сопротивления разрыву и относительного удлинения в 4 — 15 раз. Отсюда следует, что в областях проявления ЯАР увеличивается неоднородность и нестабильность механических свойств материала.

Необходимо отметить, что  построение зависимостей дисперсии измерений механических свойств от степени деформации является полезным при определении областей проявления ЯАР, так как данные зависимости позволяют легко обнаружить эти области при исследовании любой механической характеристики.

Полученные зависимости  механических свойств исследуемых  сплавов от степени суммарной деформации при холодной прокатке по характеру изменения механических характеристик аналогичны при исследовании латуни Л63.

Анализ результатов исследования показывает, что для исследуемых сплавов существует   несколько   областей обжатий, при которых происходит немонотонное изменение свойств. Причем предельная степень деформации, а следовательно, количество областей проявления ЯАР определяются природой самого сплава. Так, для   сплавов   ЛС59-1  и БрОЦС4-4-2,5 предельная степень холодной деформации составляет около 60% и при исследовании удалось выявить только три зоны проявления ЯАР.

По данным механических пытаний, величина временного сопротивления разрыву, а и некоторых случаях и HRB, в областях проявления ЯАР изменяется незначительно и эти изменения лежат в пределах ошибки. Величины Нμ и HV увеличиваются, а δ уменьшается с увеличением суммарного обжатия. Однако в интервале обжатий, при которых происходит немонотонное изменение свойств, величины Нμ и HV уменьшаются, а величина δ несколько возрастает. Эти изменения заметно превышают ошибку эксперимента, т.е. являются значимыми. Но следует заметить, что общий прирост пластичности с технологической точки зрения не очень велик. В связи с этим наибольший практический интерес представляет исследование стабильности механических свойств в областях проявления ЯАР. При обжатиях, лежащих в интервалах, приведенных на рис. 2, 3, разброс результатов измерения механических характеристик резко возрастает. Зависимость изменения дисперсии от степени деформации имеет аналогичный характер для всех исследованных механических характеристик и для всех сплавов.